工業技術研究院 資訊與通訊研究所 黃任鋒 林敬衒 林佑恩 方士豪

毫米波系統不僅頻寬顯著提升，還具備低延遲的特性，可滿足對超低延遲有嚴格要求的應用場景。

前言

低頻具備高通訊穿透力的特性，過往很多技術例如 WIFI／3G／4G被配置在低頻區段中，但是通訊隨著例如AR／VR／數位雙生等應用對於頻寬的需求愈來愈高，低頻段已無法配置足夠大的頻寬來滿足新時代應用需求。因此，在這樣時空背景下大頻寬需求的浪潮下，催生FR2系統（毫米波系統），相較於5G低頻段，毫米波系統最大可以提供 800MHz大頻寬，比FR1系統成長8倍。除了頻寬顯著提升，毫米波系統還具備低延遲的特性，可滿足對超低延遲有嚴格要求的應用場景。然而，毫米波系統卻有致命缺點，穿透力低、容易被遮擋，因此在應用上產生限制性。本文深入探討，工業技術研究院（以下簡稱工研院）如何克服這些技術難點、兼容毫米波的技術優點以及減少缺點的解決方案。

毫米波技術背景以及應用

5G系統在頻譜使用上與4G存在顯著差異，主要分為兩個頻段：低於6GHz的FR1（Frequency Range 1）區段和高於6GHz的FR2（Frequency Range 2）區段，如圖1所示。FR2區段通常被稱為毫米波（mmWave）區段，頻率範圍大約在24GHz到71GHz之間。高頻訊號容易受到衰減和阻擋，因此過往在蜂巢式網路（Cellular Network）等移動通信系統中多採用FR1等較低頻段（如600MHz到4.9GHz），以在移動環境中維持穩定通信品質。

圖1 5G NR 頻率使用區段

FR1頻段因其穿透性強，主要用於大規模機器類型通信（Massive Machine Type Communications, mMTC）和增強型行動寬頻通訊（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）通信，其中mMTC適用於低頻寬需求的服務，如橋梁和農田監測等應用；eMBB則支援高移動性應用，如車間通訊等應用。FR2頻段則更適合超可靠低延遲通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications, URLLC）應用，如加工機械手臂的信號傳輸。近年來，FR2頻段也被應用於固定無線接入（Fixed Wireless Access ,FWA）。圖2(a)是顯示無線毫米波傳輸技術逐漸取代有線光纖網路來為不同用戶提供服務。圖2(b)是顯示山區或幅員廣闊地區中，亦可採用毫米波進行基地台間的傳輸，以降低基地台間有線連接的高成本。圖3是顯示FWA的應用場景，該應用場景的特色是通信節點固定但需要高速、大容量傳輸。由於毫米波具有大頻寬特性，且應用於固定位置的使用場景，因此非常適合此類應用。

圖2 Fixed Wireless Access的應用

毫米波具有另一項優勢是其高頻特性能產生更細的波束（Beam），大幅降低對其他傳輸裝置的通訊干擾，這使毫米波技術特別適合熱點（Hotspot）應用。圖3展示在人群密集場合（例如：演唱會、跨年活動）中，傳統低頻基地台易受多人同時數據傳輸的相互干擾，相較之下，毫米波技術能有效緩解此問題；然而，毫米波在移動環境中的通訊品質仍面臨挑戰，為克服毫米波移動性問題，工研院開發了創新的雙連通基地台，該基地台巧妙結合FR1和FR2的優勢，充分發揮兩者特性來有效解決毫米波在移動場景中的限制。

圖3 Hotspot應用

因此以下章節我們就工研院毫米波基站系統介紹，並且介紹兩種技術架構：單毫米波基站系統、雙連通毫米波基站系統。

工業技術研究院毫米波基站系統

工研院基於5G O-RAN開放式網路架構開發毫米波基站系統，將基站劃分為O-CU（Central Unit）、O-DU（Distributed Unit）和O-RU（Radio Unit）三個網元模組(圖4)。該架構通過標準化介面實現網元互通，為電信商及企業專網提供多元化供應鏈選擇。具體而言，CU與DU間採用F1介面，DU與RU間則使用7.2x介面連接。功能上，CU處理核心網路資料，DU負責封包及基頻訊號處理，RU專司訊號發射與接收。此開放式設計不僅提升系統靈活性，亦為未來技術演進奠定基礎。

圖4 工研院毫米波基站系統

工研院毫米波 O-RU、O-DU和O-CU

O-RU採用Option 7.2x split前傳架構，支援25 Gbps網路傳輸。其主要基於現場可程式化邏輯閘陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）實現，包含可程式化軟體單元（Programmable Software, PS）和可程式化邏輯單元（Programmable Logic, PL）。PS負責O-RAN M-plane、S-plane（PTP Sync.）、功率校準、AGC、RF前端控制及數位預失真；PL則實現10G網路介面、O-RAN C／U-plane及RF前端介面轉換。另外，針對外部毫米波模組波束的控制，O-RU接收到 O-RAN C-Plane Packet 中波束指標和波束切換時間參數後，可在符號（Symbol）或時隙（Slot）間進行波束切換用以傳輸和接收信號。在毫米波系統中，1 slot為 0.125ms，包含12 symbols。工研院研發的 FR2 O-RU實現了快速beam切換，顯著提升系統在高頻段的適應性和效能。

O-DU包含Layer 1和real-time Layer 2這兩層主要通訊協定。Layer 1負責處理無線電訊號的基頻功能，其設計採用了先進的數位信號處理器（Digital Signal Processing, DSP）和FPGA技術，能夠高效地執行複雜的物理層算法，如編碼、調變、同步化等。Layer 2則負責封包排程、重送和Layer 1控制的任務，採用多執行緒和soft real-time技術，確保封包的排程與重送能夠有效控制。工研院的O-DU將Layer 1和Layer 2均實現於x86平台，為部署提供了極大的靈活性。使用者只需一般的x86伺服器即可進行O-DU部署，將原本需要特定硬體的基地台的建置限制，轉換為使用通用硬體和標準化硬體來實現基地台DU設計。

O-CU裡面包含兩層主要通訊協定: non-real-time Layer 2和Layer 3。non-real-time Layer 2需進行封包的保護和QoS的分類。在5G系統設計中，CU整合了抵抗重送攻擊的保護機制和封包加密機制，以防止資訊暴露造成的攔截和監聽；鑑於不同應用（如電話、影片）對延遲的要求差異，Layer 2透過QoS分類功能優化整體網路效率。Layer 3則是提供UE資源管理、移動管理等功能。該層生成控制封包，指示UE啟用特定功能。此外，當UE在不同基地台間移動時， Layer 3負責執行換手判斷和協議，確保基地台訊號的連續性。

單毫米波基地台系統優勢與劣勢

單毫米波基地台系統是由單一種CU／DU／RU所組合而成，在UE從接入到離開基地台的過程中，所有通訊和控制訊號傳送均基於FR2頻譜進行。相較於FR1，FR2頻譜具有取得成本顯著較低的優勢，以2023年中華電信的頻譜拍賣為例，FR1頻寬每1MHz成本約為5.06億台幣，而FR2頻寬僅需0.01億台幣。在實際應用中要達到1Gbps流量，FR2所需要的頻寬是FR1的兩倍，但考慮到成本因素，FR2實現1Gbps流量的頻譜成本僅約0.02億台幣，而FR1則需負擔約5.06億台幣，兩者頻譜取得成本相差數百倍。這巨大的成本差異使FR2系統對基地台運營商極具吸引力，因其在相同傳輸量下提供更低的單位成本。除成本優勢外，FR2還具有超低延遲特性，FR1系統的反應時間在10ms以內，而FR2系統約為FR1的四分之一，這顯著的延遲改善源於FR2系統更細的時間粒度，進一步大幅縮短了下行到上行的反應時間。

FR2系統雖具有諸多優勢，但其劣勢亦不容忽視。最顯著的問題是訊號易受遮蔽，導致通信質量嚴重受損，在移動場景中，樹木或建築物等障礙物可能造成訊號瞬時中斷，對行動用戶的通信體驗造成重大影響。此問題在城市環境或障礙物密集區域尤為突出，可能引發頻繁的連接中斷和服務質量劣化，從而降低系統的實用性。為應對這一關鍵挑戰，工研院研發雙連通毫米波系統，該系統能顯著降低FR2訊號受遮蔽導致的中斷風險，有望大幅提升系統在複雜環境下的穩定性和可靠性。

雙連通毫米波基地台系統

雙連通毫米波系統突破了單一FR2頻段傳輸的限制，如圖5所示。系統架構包含FR1和FR2兩種連線，移動設備同時維持與基地台的FR1和FR2雙重連接。當用戶移動時，系統靈活切換至FR1連線進行傳輸。由於FR1頻率較低代表其穿透能力強，可大幅降低訊號遮斷風險，確保移動過程中的通信穩定性。在固定場景下，如演唱會等用戶相對靜止的環境中，系統則會優先使用FR2連線，該頻段具有低干擾和高流量特性，能滿足大容量數據傳輸需求。工研院開發的雙連通毫米波基地台系統巧妙結合FR1和FR2優勢。通過在移動狀態下切換至FR1，有效緩解FR2訊號易受遮蔽的問題；同時在靜態環境中充分利用FR2的高傳輸效率。這種動態切換機制不僅保持FR2傳輸優勢，還顯著提升系統整體穩定性和可靠性。

圖5 雙連通毫米波基地台系統

工業技術研究院毫米波系統效能驗證

工研院毫米波系統經過全面的測試與驗證流程，包括O-RU、L1協議及端到端系統驗證。系統亦在台中智慧機械工廠完成實際場域測試，進一步驗證其實用性與效能。

效能驗證

對O-RU進行O-RAN.WG4.CONF多個測試項目的測試，已完成的驗證如表一所示，A3至A7測項涵蓋了O-RU在無線傳輸過程中的基本DL需求、對控制平面（C-Plane）訊息的解讀與用戶平面（U-Plane）資料的正確傳輸、UL資料接收與U-Plane資料訊息構建、接收區間時序的符合以及UL資料的正確建構與傳輸等內容。

表1 OTIC一致性測試

OTIC測試項目中，下行（DL）測試模型採用TM1.1，上行（UL）測試模型為A1-5。圖6展示了A4測試項目的結果，使用PN23序列生成的數據負載，在100MHz頻寬和28.7001GHz頻帶下，A4下行端的誤差向量幅度（Error Vector Magnitude, EVM）值為5.08%。圖7呈現了A5測試項目在向量訊號分析儀（VSA）上的結果，同樣使用PN23序列生成的數據負載，在相同的頻寬和頻帶條件下，A5上行端的EVM值為5.1287%，每個代碼字（Codeword）的循環冗餘校驗（Cyclic Redundancy Check, CRC）均通過。另外，工研院所設計的O-RU在時序延遲管理（Delay Management, DLM）方面，如圖8所示。左側顯示了ITRI O-RUDL的控制平面和用戶平面的延遲管理時間分佈: 控制平面（紅色虛線）延遲範圍為-116微秒至-17.65微秒，用戶平面（藍色虛線）為-116微秒至-21微秒。右側展示ITRI O-RU上行的延遲管理：控制平面（紅色虛線）延遲範圍為-98微秒至-8.92微秒，用戶平面（藍色虛線）為21微秒至30微秒。這些時間範圍內，各平面的訊號進行相應的處理和傳輸。

圖6 DL的A4測項PN23結果

圖 7 UL的A5測項PN23結果

圖8 O-RUDL／UL的延遲管理

工研院更進一步開發了ITRI DU Emulator以驗證O-RU整合的正確性，測試環境如圖9所示，包括DU Emulator、O-RU、5G訊號分析儀（Signal Analyzer, SA）和5G訊號產生器（Signal Generator, SG）。下行（DL）測試中，DU Emulator向O-RU發送O-RAN訊號，O-RU發出DL訊號後由SA解調並觀察EVM；上行（UL）測試中，DU Emulator向O-RU發送C-Plane數據，O-RU接收5G SG產生的NR訊號，並將UL數據回傳至DU Emulator進行解調。在FR2 O-RU上行鏈路的測試採用載波聚合技術，將400MHz總帶寬分為兩個200MHz子載波，其結果顯示EVM僅6.92%，所有代碼通過循環冗餘校驗，並且時序控制精確。這些數據證實工研院的FR2 O-RU系統在5G毫米波通信領域具備卓越性能和穩定性。

圖9 ITRI FR2 O-RU 測試環境

Layer 1與O-RU的整合測試，則是使用UE模擬器，透過OTA方式進行驗證。實驗設置200MHz頻寬，並且進行MCS28-64QAM調製方式進行2層DL傳輸，結果顯示UE模擬器的接收到的誤碼率約為4%，並且能夠達到的數據傳輸速率為1.2Gbps，如圖10。

圖10 在200MHz頻寬、MCS28-64QAM調變方式及2層傳輸下，塊錯誤率（Block Error Rate, BLER）約為4%，傳輸速率達到1.2Gbps

圖11詳細呈現測試環境中上行（UL）通信的配置和性能指標。上半部分列出關鍵參數：MCS指數28、64QAM調製、200MHz頻寬及132個資源塊（RB）；下半部分展示上行延遲的最小、平均和最大值，以及Layer 1的塊錯誤率（BLER）。測試結果顯示上行吞吐量達704Mbps，BLER為0.00%，證實傳輸無誤。這表明採用64QAM調製和200MHz頻寬的5G NR上行通道達到最佳配置和性能狀態，展現優越的通信效能。

圖11 UL 200MHz， MCS28-64QAM， 1Layer， BLER=0%

在整合O-CU／O-DU／O-RU後進行端對端（End-to-end, E2E）測試，確保從用戶設備（UE）到核心網絡（Core Network）的所有通信環節均能正常運作。E2E測試包括了多個方面的測試，如連接建立、數據傳輸、延遲測試等，覆蓋了基站系統的所有關鍵模組。圖12呈現200MHz頻寬的通信性能測試結果，DL數據傳輸率達到900 Mbps，UL數據傳輸率為200 Mbps。

圖12 FR2頻段 200MHz頻寬的測試結果（下行速率900Mbps，上行速率200Mbps）

實際場域驗證探討 : 工研院台中智機工廠

工研院的毫米波系統不只進行實驗室階段的效能驗證，更進一步至台中智慧機械工廠（以下簡稱台中智機）（如圖13）進行實際場域毫米波系統驗證。

圖13 工研院台中智機工廠 （圖片取至天下雜誌[8] ）

在台中智機場域進行加工機械機的無線控制，機台如圖14所示。這個應用場景特別具有挑戰性，因為加工機械的控制對延遲極為敏感。控制馬達轉速需要極低的延遲，否則可能導致製造過程中的產品形變，進而影響加工質量。

圖 14 台中智機場域進行加工機械機的無線控制

在台中智機場域驗證建置架構，如圖15。核心網路放置於新竹工研院竹東總部，毫米波基地台系統放置於台中智機2F機房，並且MEC近端網路資料庫，建置於台中智機2F機房。因此達到低延遲網路串連。而加工機械機與AR操作系統則是建置於台中智機1F工廠。工研院毫米波系統，與法國達梭公司開發的遠端操作系統進行整合，並且成功在台中智機完成遠端操作應用與場域驗證，如圖16所示。

圖 15 台中智機毫米波系統架構

圖 16 毫米波連線

結論

工研院設計的毫米波系統，經過完整的端到端驗證、場域應用驗證，並且也結合國內夥伴、國際夥伴（美國、日本）共同開發與驗證新型技術。未來將持續應用到更多領域，例如整合非地面網路（Non-Terrestrial Networks，NTN）技術，導入毫米波頻段，不斷結合出更新的技術。工研院提供了全球首個5G毫米波解決方案，加速產業進軍國際生態系，也連結國際大廠共同擴展5G毫米波應用市場。

參考文獻

[1] O-RAN Alliance Working Group 4, Control, User and Synchronization Plane Specification, v15.0
[2] O-RAN Alliance Working Group 4, Management Plane Specification, v15.00
[3] O-RAN Alliance Working Group 4, Fronthaul Interoperability Test Specification (IOT), v11.0
[4] O-RAN Alliance Working Group 4, Conformance Test Specification, v10.00 10.0
[5] ITU-T G.8273.2/Y.1368.2 (01/2017) Timing characteristics of telecom boundary clocks and telecom time slave clocks
[6] ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Precision time protocol telecom profile for phase/time
[7] ITU-T G8275.1/Y.1369.1 (06/2016) Amd. 1 (08/2017) Precision time protocol telecom profile for phase/time
[8] https://www.cw.com.tw/article/5093170?template=transformers